Effizienz Ventilatorsystem

E n e rg i e e f f i z i e n z i n
Ve n t i l a to re n s y ste m e n
Beraterinformation klima:aktiv Programm energieeffiziente Betriebe
Inhaltsverzeichnis
Basissystembeschreibung
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Potenzialabschätzung
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Energieeinsparpotenzial für Ventilatorsysteme
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Verbesserungsmaßnahmen in Ventilatorsystemen
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Quellen und weitere Informationen
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klima:aktiv energieeffiziente betriebe
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Ventilatorsysteme
Die folgende Übersicht enthält die wichtigsten Energieeinsparoptionen, die für die
Optimierung von Ventilatorensystemen berücksichtigt werden sollten.
Basissystembeschreibung
Die Basissystembeschreibung umfasst im Wesentlichen folgende (Typenschild-)
Daten, die aus Firmenunterlagen oder mit Hilfe einfacher Messungen erhoben
werden können. In vielen Unternehmen können betriebliche Mitarbeiter die meisten
oder gar alle genannten Informationen zusammenstellen.
1. Betriebszweck (Belüftung, Stofftransport, Rauchabzug usw.)
2. Ventilatorentyp (axial, zentrifugal usw.)
3. Luftstrom (in m³/s)
4. Motorleistung (in kW),
5. Betriebspunkt,
6. Betriebsstunden,
7. Steuergeräte,
8. Kraftübertragung (Keilriemen, direkt usw.)
Da die Zahl der installierten Ventilatoren sehr groß sein kann, ist die Dokumentation
oder Messung der o. g. Elemente der 50 größten Ventilatoren oder der drei größten
Ventilatorengruppen wünschenswert. Ein anderer Ansatz kann auch darin bestehen,
sich auf alle Ventilatoren für zwei ausgewählte Anwendungen (z. B. HLK oder
Stofftransport) zu konzentrieren.
Besonders
überdimensionierte
Ventilatoren
führen
neben
höheren
Anschaffungskosten auch zu hohen Energiekosten, einerseits weil sie nicht im
optimalen Betriebspunkt betrieben werden, andererseits weil sie einen größeren
Luftstrom als notwendig fördern.
Potenzialabschätzung
Drosselung zur Leistungsanpassung: Bei konstanter Förderhöhe und konstantem
Volumenstrom gedrosselte Ventilatoren weisen auf Überkapazität hin. Der
Druckabfall über ein Regelventil stellt vergeudete Energie dar, die proportional zum
Druckabfall und Förderstrom ist.
Eine überdimensionierter Ventilator erzeugt einen lauten Luftstrom und verstärkte
Vibration der Kanäle. Weiters sind Riemen mit geringeren Wirkungsgraden lauter.
Änderungen der Anlagenbetriebsbedingungen (Erweiterungen, Stilllegungen, etc.)
können bewirken, dass Ventilatoren, die vorher effizient arbeiteten, einen
verringerten Wirkungsgrad aufweisen.
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Ventilatoren mit bekannter Überkapazität: Überkapazität vergeudet Energie, weil
mehr Volumenstrom mit höherem Druck als nötig gefördert wird.
Alle Ventilatoren mit großen Förderstrom- und/oder Druckschwankungen: Wenn
Fördervolumina oder Drücke überwiegend unter 75% des Maximalwerts liegen
(Teillastbetrieb), wird wahrscheinlich Energie durch Drosseln, Bypass-Ströme oder
durch den Betrieb nicht benötigter Ventilatoren vergeudet.
Bypass-Ströme geben generell einen Hinweis auf vergeudete Energie, da ein
größerer Luftstrom als nötig gefördert wird.
Eine Vielzahl von Untersuchungen haben gezeigt, dass durch eine effizientere
Nutzung installierter Ventilatoren, insbesondere durch eine sorgfältigere und
angepasste Auslegung des Ventilatorensystems (Kanäle, Motorleistungen und
Steuerungen) große Energieeinsparungen erzielt werden können.
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Energieeinsparpotenzial für Ventilatorsysteme
Die
Möglichkeiten
zur
Energieeinsparung
bei
Installation
eines
Ventilatorensystems werden in den vier folgenden Kategorien zusammengefasst:
a) Minimierung der Verluste durch die Auslegung der Ventilatorenanlage bei
gegebener Betriebsart, einschließlich Länge und Anordnung von Leitungen,
Richtungs- oder Querschnittsänderungen.
b) Wahl des besten Ventilators für eine gegebene Betriebsart: Dies setzt voraus, dass
nicht nur die benötigte Spitzenlast, sondern auch die Höhe und der zeitliche Verlauf
der benötigten Leistung bekannt sind. Systembezogene Effekte spielen auch hier
eine wichtige Rolle.
c) Wahl der Regelungsart des Ventilatorarbeitspunktes: Hierzu gehören Drosselung,
variable Geschwindigkeit, variable Geometrie usw.
d) Wirkungsgrad des Ventilators: Verschiedene Ventilatorentypen haben
unterschiedliche Spitzen-Wirkungsgrade, wobei Axial-Flügelprofil-Ventilatoren die
höchsten Werte aufweisen. Aber auch Ventilatoren des selben Typs haben mitunter
stark voneinander abweichende Wirkungsgrade. Es sollten immer die effizientesten
Ventilatoren bevorzugt werden.
Maßnahme
Einsparpotenzial
Steuerung
Betriebsplan,
anpassen
Laufzeit
an
Bedarfsabhängige
Drehzahlvariabler Antrieb
Betriebszeit
Steuerung,
10-50%
5-50%
Motor
Auswahl des richtigen Motortyps- und größe
5-20%
Einsatz hocheffizienter Motoren
2-10%
Kraftübertragung
Von Keilriemen zu Direktantrieb wechseln
Von Keilriemen
wechseln
zu
Flachriemenantrieb
Leitungen
Ventilatorauswahl und -wartung
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5 (größere Ventilatoren)15% (kleine Ventilatoren)
5-10 %
Ca. 15%
5-15%
5
Verbesserungsmaßnahmen in Ventilatorsystemen
Betriebsplan
Als erste Einsparmöglichkeit ist der Einsatzplan der Ventilatoren zu prüfen, oft stellt
man fest, dass Ventilatoren unabhängig vom Bedarf im Betrieb sind. Zur
Laufzeitminimierung ist es wichtig, die Notwendigkeit der Belüftung während
verschiedener Zeiten des Jahres, Monats und Tages zu analysieren. Ein an Hand
dieser Analyse optimierter Einsatzplan kann den Energiebedarf drastisch reduzieren.
Zum Beispiel können in gewerblich genutzten Gebäuden und in der Industrie
außerhalb der Arbeitszeiten häufig Lüftungsanlagen abgeschaltet werden.
Bedarfsabhängige Steuerung
Für Anlagen mit variablem Volumenstrom kann die Absenkung der Drehzahl
entscheidend zur Energieeinsparung beitragen:
Der Volumsstrom ist ungefähr proportional zur Drehzahl:
V~n
Die erforderliche Motorleistung nimmt aber mit der Kubatur der Verringerung der
Drehzahl ab, dadurch kann bei einer Verringerung des Volumenstroms um 50% die
erforderliche Leistung theoretisch auf 12,5% reduziert werden:
n
Pneu = Palt * ( neu )³
nalt
Pneu : erforderliche Leistung nach Änderung der Drehzahl [kW]
Palt : erforderliche Leistung vor Änderung der Drehzahl [kW]
nneu : Drehzahl (Drehzahl nach Änderung/Verringerung der Drehzahl)
nalt : Drehzahl (Drehzahl vor Änderung der Drehzahl)
Auf dem Markt ist eine Vielzahl an bedarfsabhängigen Steuerungen verfügbar. Durch
eine Überwachung des Bedarfs kann der Luftdurchsatz entsprechend angepasst
werden.
a.)
Drehzahlregelung
Eine der am häufigsten verwendeten Systeme zur Luftstromregelung ist
der Einsatz drehzahlvariabler Antrieb mit Frequenzumrichter. Der
Antriebsmoment sinkt quadratisch zur Drehzahl, damit sinkt die
erforderliche Antriebsleistung bei einer Halbierung des Volumenstroms
auf 25%. Wenn die Drehzahl mittels eines Frequenzumrichers variiert
wird, ist zu beachten, dass dieser zusätzliche Verluste (typischerweise
etwa 5%) aufweist. Diese können vernachlässigt werden, wenn der
Ventilator oft unter Teillast arbeitet. Wenn es jedoch nicht nötig oder
möglich ist, den Luftdurchsatz zu variieren, sollte auf den Einsatz eines
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Frequenzumrichter verzichtet werden. Eine andere Möglichkeit der
(groben) Drehzahlstellung ist der Einsatz von polumschaltbaren Motoren,
sie sind kostengünstiger in der Anschaffung auf Grund ihrer fixen
Drehzahlvorgaben ist der Einstellungsbereich jedoch begrenzt, für
einfache Aufgaben eignen sie sich jedoch perfekt.
b.)
Drallregelung
Bei der Drallregelung wird der Einfluss einer drallbehafteten Zuströmung
auf das Gebläselaufrad auf die Ventilatorkennlinie ausgenutzt. Ein
Gleichdrall im Drehsinn des Laufrades führt gegenüber drallfreier
Zuströmung zu einem Abfall, d.h. Erhöhung des Volumenstromes bei
gleicher Motorisierung. Ein Gegendrall entgegen dem Drehsinn des
Laufrades zu einer Anhebung der Kennlinie, d.h. Absenkung des
Volumenstromes bei gleicher Motorleistung. Der Vordrall wird bei dieser
Regelung durch Verstellung des Anstellwinkels eines aus mehreren
Vorleitschaufeln bestehenden Schaufelgitters (Umstaffelungsgitter) vor
dem Laufrad erzeugt.
c.)
Drosselregelung
Durch eine entsprechende punktuelle Querschnittsverringerung entsteht
am Drosselorgan ein zunehmend hoher Druckabfall, der schließlich zu
einer Reduktion des Gasvolumenstroms führt, weil das Gebläse gegen
einen künstlichen Gegendruck arbeiten muss. Bei Drosselregelung dreht
das Gebläse näherungsweise mit konstanter Drehzahl (der AsynchronAntriebsmotor wird direkt am Netz betrieben und läuft mit sehr geringem
Schlupf fast synchron zur Netzfrequenz). Wird der Querschnitt gedrosselt,
steigt zunächst der Druck am Gebläse vor der Drosselstelle entsprechend
an, wobei sich die Förderleistung verringert. Bei einer Drosselung auf die
Hälfte des Volumenstroms, steigt der Druck am Gebläse auf 125 % seines
Nennwertes an. Die erforderliche Antriebsleistung des Gebläses sinkt aber
trotz halben Volumenstroms nur auf 72% des Nennwertes. Diese
Möglichkeit ist nach der By-Pass Regelung die mit Abstand ineffizienteste
Regelung des Volumenstromes. Vor allem wenn das System viel in Teillast
arbeitet sollten derartige Regelungen ausgetauscht bzw. bei
Neuinstallationen nicht verwendet werden.
d.)
Bei größeren Ventilatoren ist die Einstellung der Schaufelstellung ein
übliches Verfahren zur Anpassung des Luftstromes. Diese Variante kann
auch mit Variante b (Drallregelung) zwecks einer Verbesserung der
Regelmöglichkeiten und des Wirkungsgrades verwendet werden.
In der Regel ergeben sich die größten wirtschaftlichen Einsparpotenziale wenn die
Volumenstromregelung durch Drosselung auf eine Drallregelung bzw. FU Regelung
umgestellt wird. Wird häufig im Teillastbereich häufig unter 75% der Nennlast
gefahren so ist auch der Umstieg von einer Drallregelung auf eine
Frequenzumformer - Regelung sinnvoll. (siehe Diagramm)
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Überdimensionierung
Bei überdimensionierten
Energieeinsparung führen:
Ventilatoren
können
mehrere
Maßnahmen
zur
a) Drehzahlregelung, diese kann zur Anpassung bestehender Systeme genutzt
werden.
b) Installation eines kleineren Ventilators und Motors mit geringerer Leistung,
was natürlich hohe Investitionskosten nach sich zieht.
c) Verwendung einer Riemenscheibe einer anderen Größe, um damit die
Drehzahl zu verändern. Dabei ist zu beachten, dass der Motor nicht unter 40 %
ausgelastet wird, da sonst sein Wirkungsgrad stark abnimmt. Gegebenenfalls
ist er durch einen kleineren Motor – am besten durch einen
Hocheffizienzmotor – zu ersetzen.
Motor
a.)
b.)
Auswahl des richtigen Motortyps und der richtigen Motorisierung
Ein
zu
großer
Sicherheitszuschlag
führt
zur
(krassen)
Überdimensionierung und zusätzlichen Verlusten. Moderne Motoren
bieten gute Wirkungsgrade in einem Nennlastbereich von 60 – 100%, was
die Auswahl erleichtert. Die Auswahl des richtigen Motors ist dennoch
sehr wichtig.
Abgesehen von Anwendungen mit sehr geringem Leistungsbedarf, lohnt
es sich immer, Eff1- oder Eff2-Motoren einzusetzen, die dazu beitragen,
Energieverluste und damit Kosten zu verringern.
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Kraftübertragung
Die effizienteste Kopplung von Motor und Ventilator ist die Direktkopplung auf einer
Achse. Folglich sollte nach Möglichkeit jedes unnötige Element zwischen Motor und
Ventilator vermieden werden. Folgende Maßnahmen können ergriffen werden.
a.)
Getriebe vermeiden
b.)
Von Keilriemen- zu Direktantrieb wechseln
c.)
Von Keilriemen- zu Flachriemenantrieb wechseln
d.)
Von Flachriemen- zu Direktantrieb wechseln
Siehe auch Informationen zu Riemenantriebe unter Antriebe.
Luftkanäle
a.)
Das Leitungssystem in Gebäuden und Industrieanlagen wird
typischerweise
installiert,
nachdem
die
Hauptkonstruktionen/Hauptanlagen errichtet wurden. Dies erfordert
teilweise häufige Krümmungen und Querschnittsänderungen. Hinzu
kommt, dass meist rechteckige Lüftungskanäle installiert werden,
während kreisförmige energetisch günstiger sind.
b.)
Darüber hinaus muss eine Ventilatoranlage nach der Installation so
ausgelegt werden, dass überall die erforderlichen Luftmengen erreicht
werden. Diese Auslegung beinhaltet zum Teil den Einsatz von
Drosselklappen, was zusätzlich Druck- und Energieverluste mit sich
bringt. Um diese zu minimieren, ist eine korrekte Planung der
Lüftungsanlage nötig.
Ventilatorenauswahl und -wartung
Zusätzliche Energieeinsparungen sind häufig durch die Wahl des richtigen
Ventilators erreichbar. Diese wird heute durch die Ventilatorenauswahlprogramme
der Hersteller wesentlich erleichtert. Weitere Einsparungen können durch die
regelmäßige Wartung von Ventilatoren und Systemkomponenten erzielt werden.
Wartung der Riemen
Bei riemengetriebenen Ventilatoren sind die Riemen die Komponenten mit den
höchsten Wartungsanforderungen. Bei abgenützten Riemen kann sich der
Wirkungsgrad um 5 bis 10% verringern. Die Energieverluste machen sich durch
erhöhte Lautstärke bemerkbar. Bei notwendigem Ersatz eines einzelnen Riemens in
einem Mehrriemensystem sollte der gesamte Riemensatz gewechselt werden, da
sonst der neue Riemen überlastet wird. (siehe auch Informationen zu Riemenantrieb
unter Antriebe!)
Reinigung des Ventilatorsystems
Bei vielen Ventilatoren wird die Leistungsverringerung durch die Anreicherung von
Verunreinigungen auf den Ventilatorflächen oder anderen Oberflächen verursacht.
klima:aktiv energieeffiziente betriebe
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Besonders Ventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln neigen zur leichten
Verschmutzung, sie werden daher normalerweise nicht in einer Umgebung mit
höheren Staubkonzentrationen eingesetzt.
Leckagen
Der erste Schritt zur Behebung der Leistungsverluste von Ventilatorsystemen ist die
Kontrolle der Dichtheit des Leitungsnetzes. Besonders flexible Verbindungen und
Bereiche, die hohen Vibrationsniveaus ausgesetzt sind, neigen zur erhöhten Leckage.
Schmieren des Lagers
Die Lager sind bei Ventilatoren gemäß den Wartungsvorschriften zu schmieren.
Diese enthalten das Intervall und die Fettqualität und –mengen.
Kontrolle des Motors
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Quellen und weitere Informationen unter:
Das Europäische Motor Challenge Programm, Modul Ventilatorsysteme, Brüssel,
2003
http://energyefficiency.jrc.cec.eu.int/motorchallenge
Umweltbundesamt, Allplan, Energieeffiziente Technologien und effizienzsteigernde
Maßnahmen, Wien 2005
http://www.umweltbundesamt.at/publikationen/publikationssuche/publikationsdetail/?pub_i
d=1561
U.S Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, Improving Fan System
Performance, a sourcebook for industry, Washington, D.C., 2003
http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices/pdfs/fan_sourcebook.pdf
klima:aktiv energieeffiziente betriebe
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